抗生素暴露历史通过生态-进化反馈重塑微生物群落对反复扰动的响应

《The ISME Journal》：Eco-evolutionary dynamics and environmental detoxification jointly shape bacterial community response to antibiotic perturbation

　　

摘要

微生物群落经常面临反复的抗生素扰动，但生态学、进化学和生态学过程如何共同塑造群落响应仍未解决。在此，我们使用"预适应"（priming）来描述一种依赖于历史效应的现象，即先前的暴露改变了随后扰动时的响应。我们利用由23个菌种组成的细菌群落，暴露于连续的青霉素脉冲中，考察了预适应的两个维度。生态学维度通过向组装的群落施加抗生素预脉冲进行操纵，该预脉冲可在共同的高剂量脉冲之前改变物种组成。进化学维度则通过实验进化个体物种以提高青霉素抗性来实现，然后再进行群落组装。群落水平的预脉冲暴露使组成向抗性类群偏移，从而减少了随后主要扰动时的组成变化。先前的抗性进化对群落动态产生了最强效应，缓冲了主要脉冲期间的组成变化，减弱了随后的选择压力，并改变了群落整体的基因表达。这种缓冲作用来源于种内抗性的增加以及一种占主导地位降解菌加速了青霉素的解毒，后者暂时降低了抗生素暴露水平并促进了非降解类群的持续存在。然而，更强的抗性并未改善群落恢复能力。由于抗性与竞争主导地位相关联，扰动后的多样性与祖先群落相当或更低，而优势类群则进一步富集。综上所述，我们的结果表明，抗生素暴露历史通过相互作用的生态-进化反馈与环境反馈重塑了微生物对扰动的响应。这些反馈增强了群面对反复扰动的抗性，但可能限制恢复能力，揭示了抗性与多样性恢复之间的权衡。